Projekt:FE Auswerteverfahren 1/Vegetationsindizes/Strahlungstheoretische Grundlagen

Teilprojekt Vegetationsindizes

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allgemeine physikalische Grundlagen

Von der Sonne wird eine große Menge an elektromagnetischen Energien auf die Erde abgestrahlt, welche sich in ihren Wellenlängen unterscheiden. Diese verschiedenen Wellenlängen lassen sich in ein sogenanntes Spektrum unterteilen. Der auf die Erde ankommende relevante Teil der Strahlung reicht von Ultraviolett (UV), mit Wellenlängenbereichen < 0,4 µm, bis hin zum fernen Infrarot (IR), von 6 µm bis 1 µm [Anhuf 1997].

Elektromagnetisches Spektrum

Erreichen die Strahlen der Sonne die Erdoberfläche, so können diese die Erdatmosphäre nicht ungehindert durchdringen. Die einfallende Strahlung wird am Außenrand der Atmosphäre an den vorhandenen Gasen, Aerosolen (Partikel unterschiedlicher Größe) und auch an Wolken teilweise reflektiert (zurückgeworfen), absorbiert (aufgenommen), transmittiert (durchgelassen) und gestreut. Als Folge besitzt die auf die Erdoberfläche gelangende transmittierte Strahlung einen abgeschwächten Wellenlängenbereich. Die Intensität der Sonnenstrahlung wird auf einer Strecke $s$ von $I_{\lambda ,0}$ auf $I_{\lambda }$ abgeschwächt. Dieser Vorgang wird mit Hilfe des Beerschen Gesetzes verdeutlicht:

$I_{\lambda }=I_{\lambda ,0}\cdot \exp \left(-\int \limits _{0}^{s}\kappa _{\lambda }\rho ~ds\right)$

• $I_{\lambda ,0}$ einfallende Strahlung
• $I_{\lambda }$ durchgehende Strahlung
• $\kappa _{\lambda }$ Extinktionskoeffizient
• $\rho$ Dichte

Die höchste Durchlässigkeit bzw. Transmissivität besitzt die Atmosphäre im Bereich des sichtbaren Lichtes und im nahen Infrarot. Aufgrund der vielseitigen Oberflächenbeschaffenheiten der Erdoberfläche, werden die Strahlen beim auftreffen auf die Oberfläche erneut absorbiert, reflektiert und gestreut. Ein Körper, der die gesamte einfallende Strahlung absorbiert, wird als schwarzer Körper bezeichnet. Werden alle Strahlen reflektiert so beschreibt dies einen weißen Körper. In der Regel absorbieren die wenigsten Körper wie ein schwarzer Körper. Jedes Objekt besitzt sein eigenes Strahlungsmuster und spezifische Reflektionseigenschaften, welche mittels Fernerkundungssensoren aufgezeichnet bzw. erfasst werden können.

Strahlungseigenschaften der Vegetation

Die Vegetation der Erde besitzt, wie alle Objekte, ihr eigenes charakteristisches Reflektionsmuster. Um die Vegetationsflächen mit Hilfe von Satellitendaten bestimmen zu können, ist es deshalb notwendig bestimmte Grundkenntnisse bezüglich der spektralen Eigenschaften von Pflanzen zu besitzen. Für die Vegetation ist vor allem der Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, des nahen Infrarots und teilweise der Bereich des mittleren Infrarots charakteristisch.

typische spektrale Reflexionskurve grüner Blattorgane

Besonders markant ist der niedrige Reflektionsanteil der Pflanzen im sichtbaren Bereich des Spektrums. Für den Prozess der Fotosynthese benötigt die Pflanze hauptsächlich den Wellenlängenanteil des Roten (0,6-0,77 $\mu$m) und den Anteil des Blauen (0,4-0,48 $\mu$m) Lichts [Belward 1991a]. Die Chloroplasten, mit dem darin enthaltenen Chlorophyll, absorbieren diesen Teil der Strahlung und wandeln energiearmes Kohlendioxid, mit in den Zellen vorhandenem Wasser, in Sauerstoff und an Energie reiches Kohlenhydrat um. Das Licht des grünen Spektralbereiches wird für die Fotosynthese nicht benötigt und deshalb reflektiert bzw. transmittiert. Die Reflektion des grünen Lichtes ist folglich der Grund dafür, dass wir gesunde Vegetation als grün wahrnehmen. Aufgrund des hohen Chlorophyllanteils von 65% bis 80% gegenüber anderer Pigmente, wie Carotin und Xantophyll, prägt dieses die Reflektionseigenschaft von Pflanzen am stärksten [Hildebrandt 1996]. Im nahen Infrarot (0,7-1,3 $\mu$m) ist die Reflektivität der Pflanzen deutlich größer als im Spektralbereich des sichtbaren Lichtes. Mit zunehmender Wellenlänge kommt es zur Verringerung der Energie der Strahlung was dazu führt, dass diese für die Fotosynthese nicht mehr ausreicht und von der Pflanze nicht benötigt wird. Die Chloroplasten absorbieren im nahen Infrarot nur 5% der einfallenden elektromagnetischen Strahlen, reflektieren 55% und transmittieren bis zu 40% [Belward 1991a]. Mit zunehmender Wellenlänge, d.h. bei ungefähr 1 $\mu$m was dem mittleren Infraroten Bereich entspricht, nimmt die Reflektion der Vegetation im Vergleich zum nahen Infrarot wieder ab. Ausschlaggebend hiefür ist der Gehalt an Wasser im Blattgewebe der Pflanzen. Wasser absorbiert hauptsächlich den langwelligen und energieärmeren Spektralbereich des Lichtes, also den Anteil des mittleren und fernen Infrarots. In diesen Bereichen kann bis zu 90% der elektromagnetischen Strahlung absorbiert werden. Das Reflektionsvermögen der Vegetation ist folglich im mittleren Infrarot relativ gering und stark abhängig vom Wassergehalt der Blattzellen [Belward 1991a]. Zwischen unterschiedlichen Pflanzenspezies lassen sich auch unterschiedliche spektrale Signaturen feststellen. Je nach Art verändert sich die spektrale Signatur, was eine Identifikation der Vegetation mittels Fernerkundungstechnik ermöglicht.